1 Grundlagen und Versuche zur Fotosynthese Ein Beitrag von: Johanna Keller Diana Stumpp Melanie Teufel Inhalt: 1. Begründung unserer Arbeit 2. Fotosynthese – ein Thema für die Schule? 3. Sachanalyse des Themas und historische Bezüge 4. Bezug zum geltenden Bildungsplan 5. Didaktisches Feld – ein Brainstorming 6. Beschreibung und Reflexion zu möglichen Schülerversuchen 7. Hinweise auf weitere Versuche 8. Literaturhinweise
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Grundlagen und Versuche
zur
Fotosynthese
Ein Beitrag von:
Johanna Keller
Diana Stumpp
Melanie Teufel
Inhalt:
1. Begründung unserer Arbeit
2. Fotosynthese – ein Thema für die Schule?
3. Sachanalyse des Themas und historische Bezüge
4. Bezug zum geltenden Bildungsplan
5. Didaktisches Feld – ein Brainstorming
6. Beschreibung und Reflexion zu möglichen
Schülerversuchen
7. Hinweise auf weitere Versuche
8. Literaturhinweise
2
1. Begründung unserer Arbeit
Die Fotosynthese – ein bedeutsames, aber für SuS nicht ganz leicht nachvollziehbares
Thema. Jedoch mit Sicherheit ein lohnenswerter Lerngegenstand, der viele Möglichkeiten
zum eigenständigen Experimentieren und Entdecken bietet und ungeahnte Verzweigungen
zu anderen Themenbereichen der Biologie, aber auch der Physik und Chemie aufweist.
Unsere Arbeit soll als kleine Anregungen für all diejenigen dienen, die sich mit dem Thema
Fotosynthese im Unterricht beschäftigen wollen bzw. müssen. Dabei möchten wir in knapper
Form sowohl fachdidaktische und fachwissenschaftliche Grundlageninformationen geben als
auch mögliche Versuche für die Schule beschreiben.
Nach einer kurzen Erläuterung, aus welchen Gründen die Fotosynthese ein Thema für die
Schule ist, soll das Thema auf seinen Sachgehalt hin analysiert werden. Dabei sollen auch
interessante historische Bezüge aufgezeigt werden. Im nächsten Schritt soll der Bezug zum
derzeit geltenden Bildungsplan aufgezeigt werden. Weil das Thema Fotosynthese ein
umfassendes Thema mit zahlreichen Querverzweigungen zu anderen Themen darstellt, soll
anschließend in Form eines Mind-Maps ein grober Überblick über das didaktische Feld des
Themas gegeben werden.
Ausführlicher sollen dann einige der möglichen Versuche für die Schule rund um das Thema
Fotosynthese beschrieben werden. Als Hilfestellung für die praktische Arbeit sollen diese
Versuche jedoch nicht nur dargestellt, sondern auch auf mögliche Schwierigkeiten und
praktische Tipps hin reflektiert werden.
Weil die Darstellung aller möglichen Versuche zu diesem Thema den Rahmen dieser Arbeit
sprengen würde, sollen einzelne weitere, ebenfalls mögliche Versuche im Anschluss nur
kurz benannt werden.
Abschließend soll ein knappes Literaturverzeichnis als Hilfestellung für die eigenständige
Beschäftigung mit dem Thema „Fotosynthese“ dienen.
2. Fotosynthese – ein Thema für die Schule?
Fotosynthese ist wohl für die meisten SuS ein sehr abstrakter Begriff. Schließlich ist
Fotosynthese kein Gegenstand, der sicht- und greifbar ist, sondern lediglich ein Prozess, der
sich aus vielen Faktoren zusammensetzt und dessen Produkt nicht unbedingt einsehbar ist.
Dennoch können sich für die SuS bei der Beobachtung der Natur ganz automatisch Fragen
stellen, die mit der Fotosynthese in Zusammenhang stehen.
Beispielsweise:
Sind Pflanzen Lebewesen in Bezug auf das Kriterium des eigenen Stoffwechsels?
Woher kommt der süße Geschmack in der Beere bzw. der Zucker in der Pflanze?
Warum sind fast alle Pflanzen grün?
Wieso können Pflanzen wachsen?
Wie produzieren die Pflanzen den für uns Menschen lebenswichtigen Sauerstoff? usw.
Mit diesen Fragen sind schon einige der Themengebiete angesprochen, für welche die
Fotosynthese eine tragende Rolle spielt.
3
Als erstes kann dabei die Rolle der Pflanze im Ökosystem und dabei natürlich auch die
Bedeutung der Pflanze für den Menschen als Energie- und Sauerstofflieferant genannt
werden. Wird bei den SuS ein Bewusstsein für die lebenswichtigen Aufgaben der Pflanzen
geschaffen, kann dies eventuell dazu führen, dass SuS einen verantwortungsvolleren
Umgang mit unserer Umwelt zeigen.
Die Süße vieler Beeren als pflanzliche Produkte kann für den Unterricht als
problemorientierter Einstieg dienen, den die SuS nachfolgend experimentell untersuchen.
Überhaupt bietet das Thema Fotosynthese zahlreiche Möglichkeiten für SuS selbst
experimentierend aktiv zu werden und damit fachspezifische Kompetenzen zu trainieren.
Dabei kann auch die Beschäftigung mit historischen Versuchen zur Fotosynthese für die SuS
Anreiz zur Nachahmung und zur Durchführung eigener Versuche dienen.
Im Rahmen einer Beschäftigung mit dem Thema Fotosynthese können außerdem weitere
typische naturwissenschaftliche Arbeitsmethoden wie z.B. das Mikroskopieren, das
Beobachten, das Messen und Protokollieren geübt werden.
Die relativ einfache und verständliche Summenformel der Fotosynthese bietet Möglichkeiten
zur Vernetzung mit dem Fach Chemie. Physikalische Versuche bieten sich v.a. in Bezug auf
die Lichtabsorption durch die Pflanze an. Aber auch ein Vergleich des Fotosynthese-
Vorgangs mit den Prozessen, die in einer Solarzelle vor sich gehen wäre als
fachübergreifende Fragestellung denkbar.
Überhaupt kann das Thema als Beispiel für Energieumwandlungsprozesse und
Stoffwechselvorgänge exemplarisch genutzt werden.
3. Sachanalyse des Themas und historische Bezüge
Definition:
Aufbau organischer Stoffe aus anorganischen Molekülen (CO2, H2O) mithilfe von
Lichtenergie. Man unterscheidet unmittelbar lichtabhängige Primärreaktionen, bei denen
NADPH sowie ATP gebildet werden und Sekundärreaktionen, bei denen CO2 gebunden
und zum Kohlenhydrat reduziert wird (Calvin-Benson-Zyklus).
In den Chloroplasten (enthalten Chlorophyll) der grünen Pflanzen findet die Fotosynthese
statt. Bei der Fotosynthese baut die Pflanze mithilfe der Lichtenergie aus Kohlenstffdioxid
und Wasser Kohlenhydrate, wie z.B. Stärke, auf und scheidet dabei Sauerstoff aus. Da
Stärke aus Glucose aufgebaut ist, gibt man in vereinfachten Reaktionsgleichungen als
Fotosyntheseprodukt Glucose an. Der Vorgang der Fotosynthese ist von Licht abhängig, da
die Pflanzen nur mit Lichtenergie Biomasse (organische Substanz) produzieren können.
Diese Biomasse stellt die Existenzgrundlage der nachfolgenden Konsumenten dar und somit
ist die Fotosynthese lebenswichtig für den Menschen.
Brutto-Reaktionsgleichung für die Fotosynthese:
6 CO2 + 12 H2O � C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
4
Bei der Fotosynthese wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt, daher ist der
Vorgang von der Lichtintensität abhängig. Bei konstanter Temperatur nimmt die
Fotosyntheseleistung mit wachsender Lichtintensität zu, überschreitet aber auch bei hohen
Intensitäten einen bestimmten Höchstwert nicht. Diesen höchst erreichbaren Wert der
Fotosynthese nennt man Lichtsättigungspunkt.
Der Einfluss der Temperatur auf die Fotosynthese ist je nach Lichtintensität verschieden. Bei
schwachem Licht hat die Temperatur nur einen geringen Einfluss, bei starkem Licht steigt die
Syntheserate mit der Temperatur an. Lichtabhängige Reaktionen sind nahezu
temperaturunabhängig, wobei bei lichtunabhängigen, chemische Reaktionen die
Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung steigt.
Bei der Fotosynthese können zwei Reaktionsfolgen unterschieden werden: zum einen die
lichtabhängige, jedoch temperaturunabhängigen Reaktionen (Licht- oder Primärreaktionen)
und die lichtunbahängige, jedoch temoeraturabhängige Reaktionen (Sekundärreaktionen).
Die in den Lichtreaktionen gebildeten Stoffe sind für die Sekundärreaktionen notwendig.
Pflanzen bauen in der Fotosynthese Kohlenhydrate wie Zucker, Stärke und Cellulose aus
CO2 auf. Im CO2 ist der Kohlenstoff vollständig oxidiert. Da einfache Zucker die Formel
C6H12O6 haben, muss eine Reaktion unter Einbau von Wasserstoff stattfinden. Dieser
Wasserstoff wird in gebundener Form durch lichtabhängige Primärreaktion bereitgestellt:
Chlorophyllmoleküle nehmen Lichtenergie auf und werden dadurch energiereicher. Die
geladenen Chlorophyllmoleküle geben dann über mehrere Reaktionsschritte Elektronen an
NADP+ ab. Die entstandene Substanz NADP−−−− wird dadurch reduziert und reagiert mit den
Wasserstoffionen zu NADPH. NADPH dient als Wasserstofflieferant (Reduktionsmittel) und
die Chlorophyllmoleküle erhalten Elektronen aus Wassermolekülen zurück. Durch die
Abgabe von Elektronen werden Wassermoleküle unter Freisetzung von Sauerstoff gespalten
(Fotolyse des Wassers). Die in den angeregten Chlorophyllmolekülen enthaltene Energie
wird außerdem zur ATP-Bildung genutzt (Fotophosphorylierung).
In den Sekundärreaktionen wird das aufgenommene Kohlenstoffdioxid zum Kohlenhydrat
reduziert. Außer Wasserstoff aus dem NADPH ist dazu Energie aus dem ATP erforderlich.
Durch diesen Vorgang wird Zucker und daraus Stärke aufgebaut. Der Verbrauch an
Kohlenstoffdioxid durch assimilierende Pflanzen ist gewaltig. Landpflanzen wandeln jährlich
etwa 180 Milliarden Tonnen CO2 unter einem Energieaufwand von 1018kJ in 120 Milliarden
Tonnen Kohlenhydrate um. Dabei entstehen 130 Milliarden Tonnen Sauerstoff.
Die Fotosyntheseleistung der Pflanzen ist von Umweltfaktoren abhängig und wird stets von
allen Faktoren beeinflusst.
Einfluss des Lichtes
� Sonnenpflanzen benötigen viel Licht, sterben bei starker Beschattung allmählich ab
� Schattenpflanzen haben einen niedrigen Lichtbedarf, sterben bei längerer
Bestrahlung ab
� Bei bestimmter Lichtintensität verbraucht die Pflanze durch Fotosynthese genauso
viel Kohlenstoffdioxid, wie sie bei der Atmung bildet; Lichtstärke, bei der diese
Bedingung erfüllt ist heißt Lichtkompensationspunkt der Fotosynthese (dieser
Punkt liegt bei Sonnenpflanzen höher als bei Schattenpflanzen)
5
� Schattenpflanzen haben bei geringer Lichtintensität eine höhere Nettoproduktion als
Sonnenpflanzen
Einfluss der Temperatur
� Sekundärvorgänge der Fotosynthese sind von Temperatur abhängig � Setzen bei Mindesttemperatur ein (bei frostharten Pflanzen bei etwa –1°C)
� Nehmen bei steigender Temperatur an Geschwindigkeit zu und nach Erreichen eines
Optimums wieder ab
� Bei einer maximalen Temperatur hört die Fotosynthese ganz auf
� Minimum, Maximum und Temperaturoptimum sind von Art zu Art verschieden
Einfluss des Kohlenstoffdioxids
� Fotosyntheseleistung bei hinreichender Lichtintensität durch Erhöhung des CO2-
Gehaltes der Luft verbessert (oder durch Düngung)
Einfluss des Wassers / Feuchtigkeit
� Spaltöffnungen der Blätter schließen sich bei Trockenheit; dadurch sinkt die
Aufnahme von Kohlenstoffdioxid und somit die Fotosyntheseleistung
Tabelle zu den historischen Bezügen der Fotosynthese
Jahr Entdecker Problem / Versuchsaufbau / Erkenntnis
1771 JOHN PRIESTLEY,
Engländer
Beobachtung: Maus und
Kerze verbrauchen den
gleichen Bestandteil der
Luft� Atmung�
Problem: Luftbestandteil
der Feuer und Leben
erhält irgendwann
verbraucht?
Vorversuch: Kerze/Maus in abge-
schlossenem Luftraum; Kerze erlischt
sofort in der verbraucht Luft der Maus;
Versuch: Pflanzenzweig in
„verbrauchte“ Luft, nach einigen Tagen
brennt eine Kerze darin
� Erkenntnis: Pflanze verwandelt die
„verbrauchte“ Luft wieder in „gute“ Luft
1779 JAN INGENHOUSZ,
Niederländer,
Apotheker
Erkenntnis: nur grüne, chlorophyllhaltige Pflanzenteile für
Umwandlung zuständig; Licht wird zur Umwandlung benötigt
Etwa
1779/
1780
LAVOISIER,
Franzose,
Chemiker
Nachweis: „gute“ Luft = Sauerstoff
und „verbrauchte” Luft = Kohlenstoffdioxid
1783 JEAN SENEBIER,
Schweizer
Bestätigung: grüne Pflanzen nehmen CO2 auf
1804 DE SAUSSURE,
Schweizer
Beobachtung: Kohlenstoffgehalt von Pflanzen vergrößert sich
durch CO2-Aufnahme; Beteiligung von Wasser
1862 JULIUS SACHS,
Deutscher,
Botaniker
Bildung von Stärke in den Chloroplasten
1940 Erster Nachweis: Bei Fotosynthese abgegebener Sauerstoff
stammt aus dem Wasser
6
4. Bezug zum geltenden Bildungsplan
Das Durchführen von Versuchen wird schon im ersten Abschnitt des Bildungsplans
gefordert. Die Schüler sollen hier Antworten und Erkenntnisse durch Primärerfahrungen
machen.
Sie sollen:
• Beobachten- Beschreiben und Fragen
• Planen – Untersuchen – Schlussfolgern
• Reflektieren – Verknüpfen – Anwenden
Das Thema „Fotosynthese“ wird hier zum ersten mal unter dem Unterpunkt „Über die
biologische Vielfalt staunen“ erwähnt. Die Schüler sollen den Grundbauplan von
Blütenpflanzen verstehen und Leistung der Pflanzenorgane erkennen und darstellen. Sie
sollen zudem die Prinzipien des Lebendigen verstehen. Es sollen Zellen mikroskopiert und
als Grundbausteine des Lebens erkannt werden.
Stoffwechsel- und Energieumwandlungsprozesse (Fotosynthese) sollen mithilfe chemischer
und physikalische Experimente erfasset, beschrieben und mit Summenformel dargestellt
werden.
Unter dem Abschnitt „Ökologische verantwortlich handeln“ soll der Stoffaufbau mit
Experimenten nachvollzogen und beschrieben werden.
7
8
6. Beschreibung und Reflexion zu möglichen Schülerversuchen
Versuch zum problemorientierten Einstieg: „Pflanzen enthalten Zucker“
Beerenessen:
z.B. Heidelbeeren
� die Beeren schmecken süß, weil sie viel Zucker enthalten
� da dieser nicht aus dem Boden stammt, muss er in der Heidelbeerpflanze
hergestellt werden
� Wo sind diese „Zuckerfabriken“?
� Untersuchung der Pflanzenzelle � Chloroplasten mit Chlorophyll
Versuche zum Mikroskopieren
1) Mikroskopieren von Alpenveilchenblättern
Problemstellung:
Wie kommt Sauerstoff in das Blatt? Wie kommt CO2 aus dem Blattinneren nach außen?
Materialien:
Mikroskop, Korken, Skalpell, Blatt vom Alpenveilchen, Objektträger, Deckgläschen
Versuchsablauf:
In den Korken wird mit dem Skalpell ein Schnitt gemacht. (Alternativ kann auch ein Stück
Styropor gut verwendet werden). Das Blatt des Alpenveilchens wird in den Korken geklemmt
und abgeschnitten. Nun werden sehr dünne Schnitte des Blattes angefertigt und auf einen
Objektträger gelegt. Das Deckgläschen wird vorsichtig darüber gelegt. Der Querschnitt des
Blattes wird mikroskopiert und sollt von den Schülern gezeichnet werden.
Beobachtung:
Unter dem Mikroskop sind im Querschnitt die Spaltöffnungen zu erkennen. Durch sie kann
Sauerstoff eintreten und Kohlenstoffdioxid hinaustreten. Die Spaltöffnungen sind gut zu
erkennen.
Zu Beachten:
Die Schüler sollten auf einen sachgerechten Umgang mit dem Skalpell und dem Mikroskop